(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の鋼部品を溶接により連結してなる複合鋼部品を製造する方法において、
円筒形状を呈する円筒部と、該円筒部の一端から径方向外方に延設されたフランジ部とを有し、上記円筒部が浸炭焼き入れ硬化処理を施した浸炭焼入部であると共に、上記フランジ部に第２の鋼部品との溶接が予定されている溶接予定部を有する第１の鋼部品を製造するに当たり、その後の浸炭工程において形成される浸炭層の厚み以上の余剰部を上記溶接予定部に加えた中間品を準備し、
該中間品を浸炭雰囲気中においてオーステナイト化温度以上に加熱して表面に浸炭層を形成する浸炭工程と、
該浸炭工程に引き続き、マルテンサイト変態する冷却速度よりも遅い冷却速度により上記中間品を冷却し、かつ、冷却による組織変態が完了する温度以下まで上記中間品を冷却する冷却工程と、
高密度エネルギーによって上記中間品の上記円筒部の所望部分のみを、オーステナイト領域まで加熱した後にマルテンサイト変態する冷却速度以上の冷却速度により冷却し、上記所望部分に浸炭焼入部を形成する焼き入れ工程と、
上記中間品の上記余剰部を切削する切削工程とを行い、
次いで、得られた上記第１の鋼部品の上記フランジ部における上記溶接予定部に第２の鋼部品を当接させて溶接することにより両者を連結する溶接工程を行うことを特徴とする複合鋼部品の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の複合鋼部品の製造方法において、上記浸炭工程は、大気より酸素濃度が低い低酸素浸炭雰囲気中において行うことを特徴とする複合鋼部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、浸炭焼入部と溶接部の両方を備えた複合鋼部品及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、自動車用自動変速機に組み込まれる鋼部品として、スリーブ・ポンプ・インペラ・エクステンションという部品がある。この鋼部品は、円筒形状を呈する円筒部と、該円筒部の一端から径方向外方に延設されたフランジ部とを有する第１の鋼部品と、第２の鋼部品とをフランジ部において溶接接合して作製し、いわば複合鋼部品といえる部品である。第１の鋼部品の円筒部は、その外周面が摺動面となるため、耐摩耗性向上のために浸炭焼き入れ処理が施されている。
一方、上記第１の鋼部品のフランジ部は第２の鋼部品と溶接される溶接予定部を有しており、この溶接予定部は溶接性確保のために浸炭処理を施さないことが求められる。
【０００３】
そのため、従来の上記第１の鋼部品の製造方法においては、以下のような複雑な製造方法を採用している。すなわち、素材として比較的炭素含有量が低い鋼材を用い、鍛造及び切削工程を経て、最終製品に近い形状の鋼部品を得る。次いで、その鋼部品の溶接予定部を防炭剤により覆う防炭処理を行う。次いで、ガス浸炭炉において浸炭処理した直後に油焼き入れすると共に、焼き戻し処理を実施する。その後、防炭処理した部分にショットブラストを行って、防炭剤を除去する。最後に、研磨、洗浄等の仕上げ工程を施して第１の鋼部品を得る。その後、第１の鋼部品と第２の部品とが溶接され、最終的な複合鋼部品が得られる。
【０００４】
なお、一般的な防炭処理方法等については、例えば以下の特許文献等に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５-７６８６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記複合鋼部品の従来の製造方法は、上述したごとく、第１の鋼部品を製造する際に、溶接予定部に対して防炭剤を塗布する防炭処理を施した上で浸炭処理し、その後、防炭剤を除去する工程を行う必要がある。防炭処理及び防炭剤を除去する処理は、非常に工数が多く、コストアップにつながっている。一方、防炭処理を省略した場合には、溶接予定部の素材炭素量が増加し、溶接時に溶接割れを起こすなど弊害がある。従って単純に防炭処理を省略することはできない。
【０００７】
また、浸炭処理工程をなくすべく、比較的炭素含有量の高い鋼材を用いて焼き入れだけを行う方法も考えられる。しかしながら、加工性の点から見て炭素含有量の大幅なアップは難しく、浸炭の場合ほどには表面の炭素濃度を高めることができない。そのため、焼き入れによる硬度向上効果が低く、求める耐摩耗性が得られない。
【０００８】
本発明は、このような背景に基づいてなされたものであり、耐摩耗性が必要な部分の十分な表面硬度向上効果が得られると共に、溶接部の特性をこれまで以上に向上させることができ、かつ、製造時の防炭処理を完全に廃止することができる複合鋼部品の製造方法を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
第１の発明は、複数の鋼部品を溶接により連結してなる複合鋼部品を製造する方法において、
円筒形状を呈する円筒部と、該円筒部の一端から径方向外方に延設されたフランジ部とを有し、上記円筒部が浸炭焼き入れ硬化処理を施した浸炭焼入部であると共に、上記フランジ部に第２の鋼部品との溶接が予定されている溶接予定部を有する第１の鋼部品を製造するに当たり、その後の浸炭工程において形成される浸炭層の厚み以上の余剰部を上記溶接予定部に加えた中間品を準備し、
該中間品を浸炭雰囲気中においてオーステナイト化温度以上に加熱して表面に浸炭層を形成する浸炭工程と、
該浸炭工程に引き続き、マルテンサイト変態する冷却速度よりも遅い冷却速度により上記中間品を冷却し、かつ、冷却による組織変態が完了する温度以下まで上記中間品を冷却する冷却工程と、
高密度エネルギーによって上記中間品の上記円筒部の所望部分のみを、オーステナイト領域まで加熱した後にマルテンサイト変態する冷却速度以上の冷却速度により冷却し、上記所望部分に浸炭焼入部を形成する焼き入れ工程と、
上記中間品の上記余剰部を切削する切削工程とを行い、
次いで、得られた上記第１の鋼部品の上記フランジ部における上記溶接予定部に第２の鋼部品を当接させて溶接することにより両者を連結する溶接工程を行うことを特徴とする複合鋼部品の製造方法にある（請求項１）。
【発明の効果】
【００１１】
上記第１の発明の製造方法では、上記余剰部を有する中間品を用いて上記浸炭工程、冷却工程を実施する。その後、浸炭焼入部とするべき部分に対して局部的に上記焼き入れ工程を実施すると共に、上記余剰部を除去する切削工程を行う。なお、焼き入れ工程と切削工程の順序はどちらが先でも良い。
【００１２】
このような製造工程を採用することによって、上記溶接予定部に対しては、焼き入れ処理を施す必要がなく、かつ、浸炭工程によって炭素濃度が高くなった部分については上記余剰部と共に上記切削工程において除去することができる。そのため、溶接予定部を設ける場合における従来のような防炭処理及び防炭剤除去処理を完全に省略することができ、これらに関わる工数と使用エネルギーの削減を実現することができる。
【００１３】
また、上記浸炭焼入部は、高密度エネルギーを用いた上記焼き入れ工程を局部的に実施することにより、歪み発生を抑制しつつ、耐摩耗性に優れた高硬度の表面状態を有すると共に靱性に優れた内部を有する浸炭焼入部を得ることができる。
また、上記第１の鋼部品の全体形状は、上記浸炭工程後に急冷することなく冷却速度を制限した上記冷却工程を実施することにより、冷却歪みが抑制され、寸法精度を良好に維持することができる。
【００１４】
このように、上記製造方法によれば、上記第１の鋼部品を得る際に、耐摩耗性が必要な部分の十分な表面硬度向上効果が得られると共に、溶接予定部の溶接性をこれまで以上に向上させることができ、かつ、製造時の防炭処理を完全に廃止することができる。
【００１５】
また、その後の溶接工程においては、上記のごとく、溶接性の良い溶接予定部において溶接を行うため、優れた溶接強度を有する複合鋼部品を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施例１における、第１の鋼部品の斜視図。
【図２】実施例１における、第１の鋼部品の断面図（図１のＡ−Ａ線矢視断面図）。
【図３】実施例１における、中間部材の断面図。
【図４】実施例１における、浸炭工程直後の組織状態を示す説明図。
【図５】実施例１における、焼き入れ工程直後の組織状態を示す説明図。
【図６】実施例１における、切削工程後の組織状態を示す説明図。
【図７】実施例１における、熱処理設備の構成を示す説明図。
【図８】実施例１における、浸炭工程及び冷却工程のヒートパターンを示す説明図。
【図９】実施例１における、焼き入れ工程のヒートパターンを示す説明図。
【図１０】比較部品の組織状態を示す説明図。
【図１１】実施例１における、第１の鋼部品と第２の鋼部品との溶接位置を示す説明図。
【図１２】実施例１における、第１の鋼部品と第２の鋼部品との溶接部の組織状態を示す説明図。
【図１３】実施例１における、第１の鋼部品と第２の鋼部品とを溶接してなる複合鋼部品を組み込んだ組立部品の構成を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
上記複合鋼部品の製造方法において、上記浸炭工程は、大気より酸素濃度が低い低酸素浸炭雰囲気中において行うことが好ましい（請求項２）。具体的な方法としては、例えば、大気圧よりも低く減圧した減圧下の浸炭ガス中において行う方法がある。つまり、減圧浸炭工程を採用することが有効である。減圧浸炭工程では、高温の浸炭炉の内部を減圧状態に維持しながら比較的少量の浸炭ガスによって浸炭処理を行うことができるので、従来よりも効率よく浸炭処理を行うことができる。また、従来の大型の熱処理炉を用いた長時間の加熱処理が不要となるので、処理時間の短縮および消費エネルギーの低減、さらには、浸炭焼入れ設備そのものの小型化を図ることができる。
【００１９】
また減圧浸炭を採用することより、浸炭工程において、浸炭雰囲気を大気圧に対して減圧することで、雰囲気中の酸素量を低く抑えることができる。これにより浸炭層の粒界酸化を防ぐことができる。
【００２０】
また、大気より酸素濃度が低い浸炭雰囲気において行う浸炭方法としては、上記の減圧浸炭方法に限られず、例えば、雰囲気を減圧することなく、窒素ガスや不活性ガスを充填することで、雰囲気中の酸素量を低く抑えることにより、浸炭層の粒界酸化を防ぐ方法も採用可能である。
【００２１】
上記減圧浸炭は、真空浸炭ともいい、炉内の雰囲気を減圧して、浸炭ガスとして炭化水素系のガス（例えばメタン、プロパン、エチレン、アセチレン等）を直接炉内に挿入して行う浸炭処理である。減圧浸炭処理は、一般的に、浸炭ガスが鋼の表面に接触した際に分解して発生する活性な炭素が鋼の表面において炭化物となって鋼中に蓄えられる浸炭期と、炭化物が分解し、蓄えられていた炭素がマトリックスに溶解して内部に向って拡散していく拡散期とにより構成される。なお、炭素の供給ルートは、炭化物経由のルートによるものに限らず、直接マトリックスに溶解するルートを通るものも存在すると言われている。
【００２２】
また、上記浸炭工程は、１〜１００ｈＰａの減圧条件下において行うことが好ましい。減圧浸炭工程における浸炭時の減圧が１ｈＰａ未満の場合には真空度維持のために高価な設備が必要となるという問題が生じる可能性がある。一方、１００ｈＰａを超える場合には浸炭中にススが発生し、浸炭濃度ムラが生じるという問題が生じるおそれがある。
また、上記浸炭ガスとしては、例えば、アセチレン、プロパン、ブタン、メタン、エチレン、エタン等の炭化水素系のガスを適用することができる。
【００２３】
また、上記鋼部品用の鋼素材としては、炭素含有量が０．３０質量％以下程度の低炭素鋼あるいは低炭素合金鋼を用いることが好ましい。特に、合金添加元素の少ない低炭素鋼を用いることが、コスト上、あるいは希少元素の消費量低減の面から好ましい。そして、このような低炭素鋼を素材として用いても、上記製造方法を採用することによって、上記のごとく優れた特性の複合鋼部品を得ることが可能である。
【実施例】
【００２４】
（実施例１）
本発明の実施例に係る複合鋼部品及びその製造方法につき、図を用いて説明する。
本例において製造する第１の鋼部品８は、図１及び図２に示すごとく、自動車用自動変速機に組み込まれる鋼部品であって、円筒形状を呈する円筒部８１と、円筒部８１の一端から径方向外方に延設されたフランジ部８２とを有する部品である。そして、第１の鋼部品８は、円筒部８１が浸炭焼き入れ硬化処理を施した浸炭焼入部であると共に、フランジ部８２に、第２の鋼部品との溶接が予定されている溶接予定部８２５を有する。また、上記円筒部８１における他端には、周方向に２箇所の切り欠き部８１５が設けられている。
【００２５】
このような第１の鋼部品８を製造するに当たり、まず、炭素含有量が０．１５質量％の低炭素鋼を素材として、熱間鍛造工程、及び切削工程を経て作製した中間品８００を準備する。この中間品８００は、図３に示すごとく、溶接予定部８２５の形状を、その後の浸炭工程において形成される浸炭層の厚み以上の余剰部８２６を破線Ｋによって示された最終所望形状に加えた形状としたものである。
【００２６】
次に、中間品８００を浸炭雰囲気中においてオーステナイト化温度以上に加熱して表面に浸炭層を形成する浸炭工程を実施する。
次に、この浸炭工程に引き続き、マルテンサイト変態する冷却速度よりも遅い冷却速度により中間品８００を冷却し、かつ、冷却による組織変態が完了する温度以下まで中間品８００を冷却する冷却工程を実施する。
【００２７】
次に、高密度エネルギーによって中間品８００の浸炭焼入部にすべき部分である円筒部８１全体をオーステナイト領域まで加熱した後にマルテンサイト変態する冷却速度以上の冷却速度により冷却する焼き入れ工程を実施する。
【００２８】
その後、中間品８００の溶接予定部８２５を最終所望形状となるよう切削する切削工程を実施する。なお、この切削工程と上記焼き入れ工程とは順序を入れ替えることも可能である。
以下、さらに詳説する。
【００２９】
まず、上記中間品８００に対して浸炭工程から焼き入れ工程までを行うための熱処理設備５及び具体的な熱処理条件等について簡単に説明する。
図７に示すごとく、熱処理設備５は、浸炭焼入れ処理前に鋼部品を洗浄するための前洗槽５１と、加熱室５２１、減圧浸炭室５２２、および減圧徐冷室５２３を備えた減圧浸炭徐冷装置５２と、高周波焼き入れ機５３と、欠陥を検査するための磁気探傷装置５４とを備えたものである。
【００３０】
処理設備５を用いて行う本例の浸炭工程は、大気圧よりも低く減圧した減圧下の浸炭ガス中において行う減圧浸炭工程である。この工程におけるヒートパターンＡを図８に示す。同図は、横軸に時間を、縦軸に温度を取ったものである。
【００３１】
同図より知られるごとく、浸炭工程のヒートパターンＡは、昇温領域ａにおいて浸炭温度まで昇温し、次に、保持領域ｂ１、ｂ２において温度を一定に保持した。保持温度はオーステナイト化温度以上の温度である９５０℃一定とした。この保持領域の最初の領域ｂ１は、浸炭処理における浸炭期の領域であり、その後の領域ｂ２は浸炭処理における拡散期の領域である。減圧浸炭処理の減圧条件は、１〜３．５ｈＰａとし、上記浸炭期の領域ｂ１での浸炭ガスとしてアセチレンを用いた。
【００３２】
減圧浸炭処理の拡散期を終えた後、冷却工程としての冷却領域ｃを行う。本例では減圧徐冷工程を採用し、その減圧条件は６００ｈＰａとした。また、冷却雰囲気ガスは窒素（Ｎ2）とした。また、減圧徐冷工程の冷却速度は、浸炭処理直後のオーステナイト化温度以上の温度からＡ１変態点よりも低い１５０℃の温度となるまで、冷却速度は０．１〜３．０℃／秒の範囲内となる条件とした。なお、ここで示すヒートパターンＡ及び他の条件は一つの例であって、適宜予備試験等によって処理する鋼部品にとって最適な条件に変更可能である。
【００３３】
冷却工程後に行う本例の焼き入れ工程は、その加熱手段として高周波加熱を採用し、急冷手段として水冷を採用した。このヒートパターンＢを図９に示す。同図は、横軸に時間を、縦軸に温度を取ったものである。同図に示すごとく、本例の焼き入れ工程は、高周波加熱によって円筒部８１全体を、オーステナイト化温度以上の温度に加熱する昇温領域ｄ１と、その後、浸炭層においてマルテンサイト変態する急冷臨界冷却速度以上の冷却速度が容易に得られるように、水や焼割れ防止剤を含んだ冷却水を噴射して水焼入れする急冷領域ｄ２とからなる。ヒートパターンＢは、適宜予備試験等によって処理する鋼部品にとって最適な条件に変更可能である。
【００３４】
次に、上記各工程を経ることによる中間品８００及び第１の鋼部品８における各部の組織状態の変化について説明する。
まず、中間品８００は、図３に示すごとく、溶接予定部８２５の形状が、余剰部８２６を加えた形状を呈している。浸炭工程前の内部組織は、熱間鍛造を終えた通常の鋼部品と同様に、塑性加工が施された組織状態となっている。浸炭工程を施すことによって、中間品８００の全体がオーステナイト組織となる。なお、このとき、中間品８００の表層部は、炭素濃度が母材よりも高くなった高炭素濃度の浸炭層８８（図４参照）となる。
【００３５】
次いで、図４に示すごとく、オーステナイト組織状態の中間品８００は、その後の減圧徐冷工程を施すことによって、浸炭層８８以外はフェライト・パーライト組織ＦＰとなり、表層の浸炭層８８はパーライト組織Ｐとなる。
【００３６】
次に、中間品８００の円筒部８１は、高周波加熱によって加熱されオーステナイト組織状態となる。その後の水冷により、図５に示すごとく、浸炭層８８はマルテンサイト組織Ｍとなり、その内側はベイナイト組織Ｂとなる。一方、焼き入れ工程を施さないフランジ部８２は、表層の浸炭層８８がパーライト組織Ｐであると共に内部がフェライト・パーライト組織ＦＰのままの状態を維持する。
【００３７】
その後、中間品８００のフランジ部８２における溶接予定部８２５は、切削工程を施されることにより、浸炭層８８を含む余剰部８２６が除去される。これにより、最終形状の第１の鋼部品８が得られる。そして、第１の鋼部品８の溶接予定部８２５は、フェライト・パーライト組織ＦＰが露出した状態となる。なお、切削工程処理時には、その前又は後に研磨処理あるいは研削処理等を施して、全体の寸法精度をさらに向上させることおよび最後に洗浄を行うことが製品品質の向上に有効である。
【００３８】
次に、得られた第１の鋼部品８の各部の硬度特性及び溶接性を評価した。また、比較のために、従来の製造方法によって得られた比較部品９を準備した。
比較部品９は、フランジ部９２の表面を防炭剤で覆う防炭処理を施した後、浸炭焼き入れ処理を実施し、その後ショットブラストによって防炭剤を除去し、さらに研磨等の仕上げ処理を施したものである。図１０に示すごとく、比較部品９は、防炭処理を施していなかった円筒部９１の表面層が浸炭層９８となっていると共にマルテンサイト組織Ｍとなっており、その内部及びフランジ部９２全体がベイナイト組織Ｂとなっている。
【００３９】
第１の鋼部品８及び比較部品９の各部の硬度は、断面において測定した。
第１の鋼部品８の円筒部８１の浸炭層８８（図６）におけるマルテンサイト組織Ｍの部分の硬度は、ビッカース硬さにおいてＨＶ７５６〜８２０の範囲にあり、非常に高硬度であることが分かった。また、第１の鋼部品８の円筒部８１の内部のベイナイト組織Ｂよりなる部位は、ビッカース硬さにおいてＨＶ３３１〜４５９の範囲にあり、適度な硬度を有し、靱性にも優れる範囲にあることがわかった。さらに、第１の鋼部品８のフランジ部８２における溶接予定部８２５を含むフェライト・パーライト組織ＦＰの部分は、ビッカース硬さにおいてＨＶ１５４〜１６３の範囲にあり、比較的低硬度であり、一方、フランジ部８２の表層の浸炭層８８のパーライト組織Ｐよりなる部分は若干硬度が高く、ビッカース硬さにおいてＨＶ２９８〜３１１の範囲にあった。
【００４０】
これに対し、比較部品９は、円筒部９１の浸炭層９８（図１０）におけるマルテンサイト組織Ｍの部分の硬度は、ビッカース硬さにおいてＨＶ７６５〜７８７の範囲にあり、非常に高硬度であった。また、比較部品９の円筒部９１の内部およびフランジ部９２全体のベイナイト組織Ｂよりなる部位は、ビッカース硬さにおいてＨＶ２８２〜３３２の範囲にあった。
【００４１】
上記比較部品９と本例の第１の鋼部品８との比較により、第１の鋼部品８の円筒部８１は、比較部品９と比べて、円筒部８１の表面硬度が同等程度有り、非常に優れた耐摩耗性特性を維持していることが分かった。
【００４２】
次に、第１の鋼部品８及び比較部品９の溶接性を評価した。具体的には、図１１に示すごとく、溶接予定部８２５に溶接すべき第２の鋼部品７１を準備し、溶接部位Ｗに対して実際にアーク溶接を施して複合鋼部品７５を得た。そして、溶接部７５０について、スリーブ溶接強度確認試験（溶接箇所に荷重をかけて溶接部の強度を測定）とリークテストを行った。
試験の結果、スリーブ溶接強度確認試験においては比較部品と同等以上の溶接部強度が実現できていることが分かった。また、両者ともリークテストにおいても問題は発生しなかった。これらの結果から、第１の鋼部品８の溶接性は比較部品９と同等以上であることが分かった。
【００４３】
第１の鋼部品８と第２の鋼部品７１とから作製した複合鋼部品７５の溶接部７５０は、図１２に示すごとく、溶融再凝固部７５１と、これに隣接する熱影響部７５２とを備える。溶融再凝固部７５１はマルテンサイト・ベイナイト・パーライト組織ＭＢＰ、つまり、マルテンサイト組織とベイナイト組織とパーライト組織とが混ざった組織となっている。また、熱影響部７５１はベイナイト・フェライト・パーライト組織ＢＦＰ、つまり、ベイナイト組織とフェライト組織とパーライト組織とが混ざった組織となっている。熱影響部７５１の周囲は、もとの溶接予定部８２５のフェライト・パーライト組織ＦＰよりなる。第１の鋼部品８のその他の部分の組織は、溶接工程前と変わっていない。なお、第２の鋼部品７１における溶接部７５０の周囲の組織はフェライト・パーライト組織ＦＰよりなる。
【００４４】
次に、図１３には、上記第２の鋼部品７１と第１の鋼部品８とを溶接部７５０を介して連結してなる複合鋼部品７５を組み込んだ組立部品７を示す。組立部品７は、自動車用自動変速機に組み込まれるトルクコンバーター（Ｔ／Ｃ）である。第１の鋼部品８は、組立部品７におけるポンプインペラハブという部品であり、円筒部８１に優れた耐摩耗性が必要であると共に、フランジ部８２には第２の鋼部品７１であるポンプシェルとの優れた溶接性が求められる。このような用途において、上記実施例の第１の鋼部品８及びこれを第２の鋼部品７１に溶接してなる複合鋼部品７５は、要求品質を十分に具備し、優れた性能を発揮する。また、第１の鋼部品８は、ポンプインペラハブに限定されず、円筒部とフランジ部を有する部品であればよく、例えば、自動車用自動変速機における入力軸、出力軸などの動力伝達軸でもよい。
【符号の説明】
【００４５】
５  熱処理設備
７１  第２の鋼部品
７５  複合鋼部品
８  第１の鋼部品
８００  中間品
８１  円筒部
８２  フランジ部
８２５  溶接予定部
８２６  余剰部
Ｂ  ベイナイト組織
Ｍ  マルテンサイト組織
ＦＰ  フェライト・パーライト組織
Ｐ  パーライト組織
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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